CC2640 SimpleLink™ Bluetooth® 无线MCU：特性、应用与设计指南

在当今的物联网时代，低功耗、高性能的无线微控制器（MCU）对于各种应用的实现至关重要。德州仪器（TI）的CC2640 SimpleLink™ Bluetooth® 无线MCU就是这样一款具有出色特性和广泛应用前景的产品。本文将深入介绍CC2640的特点、应用场景、技术规格以及设计要点，帮助电子工程师更好地了解和使用这款MCU。

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一、器件概述

1. 特性

CC2640具有一系列强大的特性，使其在蓝牙应用领域脱颖而出。

• 微控制器：采用强大的ARM® Cortex® - M3处理器，EEMBC CoreMark® 得分达到142，时钟速度最高可达48 MHz。拥有128KB的系统内可编程闪存、8KB的缓存SRAM和20KB的超低泄漏SRAM，支持2 - 引脚cJTAG和JTAG调试，还支持空中升级（OTA）。
• 超低功耗传感器控制器：可独立于系统的其他部分运行，采用16位架构，拥有2KB的超低泄漏SRAM用于代码和数据存储。
• 高效代码架构：将驱动程序、蓝牙低功耗控制器和引导加载程序放置在ROM中，减少了代码占用的闪存空间。
• 多种封装选项：提供4 - mm × 4 - mm RSM VQFN32（10个GPIO）、5 - mm × 5 - mm RHB VQFN32（15个GPIO）和7 - mm × 7 - mm RGZ VQFN48（31个GPIO）三种符合RoHS标准的封装。
• 丰富的外设：所有数字外设引脚可灵活路由到任何GPIO，具备四个通用定时器模块、12位ADC、连续时间比较器、超低功耗模拟比较器、可编程电流源、UART、2× SSI（SPI、MICROWIRE、TI）、I2C、I2S、实时时钟（RTC）、AES - 128安全模块和真随机数生成器（TRNG）等。
• 低功耗设计：宽电源电压范围，正常工作时为1.8至3.8 V，外部调节器模式下为1.7至1.95 V。不同工作模式下的电流消耗极低，如主动模式RX为5.9 mA，主动模式TX在0 dBm时为6.1 mA，在 +5 dBm时为9.1 mA等。
• RF部分：2.4 - GHz RF收发器兼容蓝牙低功耗（BLE）4.2规范，具有出色的接收器灵敏度（BLE为 - 97 dBm）、选择性和阻塞性能，链路预算为102 dB，可编程输出功率最高可达 +5 dBm，支持单端或差分RF接口，适用于符合全球射频法规的系统。
• 开发工具丰富：提供全功能、低成本的开发套件、多种不同RF配置的参考设计、数据包嗅探器PC软件、传感器控制器工作室、SmartRF™ Studio、SmartRF闪存编程器2、IAR Embedded Workbench® for ARM和Code Composer Studio™等。

2. 应用场景

CC2640适用于众多领域的应用，包括但不限于：

• 家庭和建筑自动化：如照明控制、门锁、网关和安全系统等。
• 工业领域：物流、生产制造、自动化、资产跟踪管理、远程显示、电缆替换、人机界面（HMI）和访问控制等。
• 零售行业：信标、广告、电子货架标签（ESL）和价格标签、销售点和支付系统等。
• 健康和医疗：温度计、血氧饱和度（SpO2）监测仪、血糖和血压计、体重秤、生命体征监测和助听器等。
• 运动和健身：活动监测器和健身追踪器、心率监测器、跑步传感器、自行车传感器、运动手表、健身器材和团队运动设备等。
• 人机接口设备（HID）：遥控器、键盘和鼠标、游戏设备等。
• 配件：玩具、追踪器、行李标签和可穿戴设备等。

3. 器件描述

CC2640是一款针对蓝牙应用的无线MCU，属于CC26xx系列低成本、超低功耗、2.4 - GHz RF器件。其极低的有源RF和MCU电流以及低功耗模式电流消耗，为电池供电设备提供了出色的电池续航能力，使其能够在小型纽扣电池和能量收集应用中稳定运行。

该器件包含一个运行在48 MHz的32位ARM Cortex - M3处理器作为主处理器，以及丰富的外设功能，其中独特的超低功耗传感器控制器非常适合与外部传感器接口，在系统其他部分处于睡眠模式时自主收集模拟和数字数据。蓝牙低功耗控制器嵌入在ROM中，部分运行在ARM Cortex - M0处理器上，这种架构提高了整体系统性能和功耗效率，并为应用程序释放了闪存空间。此外，蓝牙协议栈可从www.ti.com免费获取。

二、技术规格

1. 绝对最大额定值和ESD评级

了解器件的绝对最大额定值和ESD评级对于正确使用和保护器件至关重要。CC2640在不同电源电压配置和引脚条件下有明确的电压和温度限制，同时其ESD性能在人体模型（HBM）和带电设备模型（CDM）下有相应的测试值，确保了器件在正常使用和生产过程中的可靠性。

2. 推荐工作条件

推荐工作条件包括环境温度范围、电源电压等参数。在 - 40至85℃的环境温度下，根据不同的系统应用，可选择合适的电源电压范围，如在1.8 - V系统中，外部调节器模式下VDDS和VDDR引脚连接时，工作电源电压为1.7至1.95 V；在电池供电和3.3 - V系统中，可使用内部DC - DC转换器，VDDS工作电源电压为1.8至3.8 V。

3. 功耗总结

CC2640在不同工作模式下的功耗表现出色。例如，在关机模式下，无时钟运行且无保留时电流仅为150 nA；在待机模式下，带有RTC、CPU、RAM和（部分）寄存器保留时，电流低至1 μA。不同的测试条件下，如单端RF模式和差分RF模式，射频接收（RX）和发射（TX）的电流消耗也有所不同。此外，每个外设单元激活时的功耗增量也有详细说明，方便工程师在设计时进行功耗评估和优化。

4. 射频性能

CC2640支持多种调制方式和数据速率，如1 - Mbps GFSK（蓝牙低功耗技术）、2 - Mbps GFSK（蓝牙5）和5 - Mbps（专有）。在不同的测试条件下，其接收器灵敏度、饱和电平、频率误差容限、数据速率误差容限、共信道抑制、选择性等射频性能指标都有明确的测试数据。例如，在差分模式下，1 - Mbps GFSK的接收器灵敏度可达 - 97 dBm。

5. 振荡器和ADC特性

• 振荡器：包括24 - MHz晶体振荡器（XOSC_HF）、32.768 - kHz晶体振荡器（XOSC_LF）、48 - MHz RC振荡器（RCOSC_HF）和32 - kHz RC振荡器（RCOSC_LF）。每个振荡器都有其特定的参数要求，如等效串联电阻（ESR）、晶体负载电容（CL）、频率精度和启动时间等。
• ADC：CC2640的ADC为12位，采样率最高可达200 ksps，具有多种参考电压选项和良好的线性度、分辨率等性能指标。不同参考电压和输入条件下，其有效位数（ENOB）、总谐波失真（THD）、信号 - 噪声和失真比（SINAD）等参数也有所不同。

6. 其他特性

还包括连续时间比较器、低功耗时钟比较器、可编程电流源、同步串行接口（SSI）的DC特性、热阻特性、时序要求和开关特性等。这些特性为系统设计提供了更多的灵活性和可靠性保障。

三、终端配置和功能

CC2640提供了多种封装选项，每种封装的引脚图和信号描述都有详细说明。例如，RGZ封装为48 - 引脚VQFN（7 - mm × 7 - mm），RHB封装为32 - 引脚VQFN（5 - mm × 5 - mm），RSM封装为32 - 引脚VQFN（4 - mm × 4 - mm）。了解每个引脚的功能和用途对于正确连接和使用器件至关重要，工程师可以根据具体的应用需求选择合适的封装和引脚配置。

四、应用、实现和布局

1. 应用信息

CC2640的应用电路所需的外部组件非常少，其RF前端可以采用差分或单端配置，并有内部或外部偏置选项。差分操作和外部偏置可提供最佳性能，而单端操作和内部偏置则可减少外部组件数量和降低功耗。同时，电源电压配置也有多种选择，工程师需要根据具体应用场景和性能要求进行合理选择。

2. 布局要点

不同的应用电路布局对于器件的性能和稳定性有重要影响。以5 × 5外部差分（5XD）和4 × 4外部单端（4XS）应用电路为例，需要注意布局的合理性，如信号走线的长度、间距、阻抗匹配等，以确保良好的射频性能和电磁兼容性。

五、开发工具和支持

1. 器件命名规则

TI为器件分配了特定的前缀和后缀来表示产品的开发阶段和封装类型。生产版本的器件经过了全面的特性表征和质量验证，而实验性和原型器件可能存在一定的不确定性，不建议用于生产系统。工程师在选择器件时需要根据实际需求和产品生命周期来确定合适的器件型号。

2. 开发工具

TI提供了丰富的开发工具，帮助工程师快速开发CC2640应用。

• 软件工具：SmartRF Studio 7可用于早期评估RF - IC的性能，支持发送和接收无线电数据包、连续波发射和接收等测试功能，还可生成、编辑和导出无线电配置设置。Sensor Controller Studio为CC26xx传感器控制器提供了开发环境，允许使用类似C语言的编程实现传感器控制器任务算法，并输出传感器控制器接口驱动程序。
• 集成开发环境（IDE）和编译器：Code Composer Studio和IAR Embedded Workbench for ARM都对CC26xx设备家族提供了内置支持，具有项目管理工具和编辑器，可与TI - RTOS高度集成，支持多种调试器。

3. 文档支持和社区资源

工程师可以通过ti.com上的器件产品文件夹获取最新的文档更新通知，相关文档包括技术参考手册、勘误表等。此外，TI还提供了低功耗RF网站、低功耗RF电子通讯、社区资源等，方便工程师获取最新的产品信息、技术支持和交流经验。

六、总结

CC2640 SimpleLink™ Bluetooth® 无线MCU凭借其强大的特性、广泛的应用场景和丰富的开发支持，为电子工程师在蓝牙应用开发中提供了一个优秀的选择。在设计过程中，工程师需要充分了解器件的技术规格、终端配置和功能、应用布局等要点，合理选择开发工具和资源，以确保设计出高性能、低功耗、稳定可靠的蓝牙应用系统。同时，要注意静电放电保护和遵守相关的出口控制规定，保障器件的正常使用和系统的安全性。

你在使用CC2640进行设计时遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。